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KR20160102748A - Field Emission X-Ray Source Device - Google Patents

Field Emission X-Ray Source Device Download PDF

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Publication number
KR20160102748A
KR20160102748A KR1020150025210A KR20150025210A KR20160102748A KR 20160102748 A KR20160102748 A KR 20160102748A KR 1020150025210 A KR1020150025210 A KR 1020150025210A KR 20150025210 A KR20150025210 A KR 20150025210A KR 20160102748 A KR20160102748 A KR 20160102748A
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KR
South Korea
Prior art keywords
electron emission
electron
source device
ray source
field emission
Prior art date
Application number
KR1020150025210A
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Korean (ko)
Inventor
염경태
임병직
Original Assignee
주식회사바텍
(주)바텍이우홀딩스
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Publication date
Application filed by 주식회사바텍, (주)바텍이우홀딩스 filed Critical 주식회사바텍
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Abstract

Provided is an electric field emission X-ray source device having a larger number of emitter tips on a limited area on a cathode electrode. According to the present invention, the electric field emission X-ray source device comprises: a tube type vacuum container; and an anode electrode and the cathode electrode arranged on both sides of the tube type vacuum container, respectively. The electric field emission X-ray source device comprises an electron emission source arranged toward the anode electrode on the cathode electrode wherein a plurality of emitter tips formed of carbon nano structures are formed on a curved surface of the electron emission source.

Description

전계 방출 엑스선 소스 장치{Field Emission X-Ray Source Device}Field Emission X-Ray Source Device [0002]

본 발명은 전계 방출 엑스선 소스 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉음극 측의 전자 방출원으로부터 방출되어 가속된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출하는 전계 방출 엑스선 소스 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a field emission X-ray source device, and more particularly to a field emission X-ray source device that emits an accelerated electron emitted from an electron emission source on a cold cathode side to a target on an anode electrode side to emit an X- .

일반적으로 질병진단을 위하여 의료기관에서 사용되는 종래의 엑스선 소스 장치는 엑스선을 발생시키기 위한 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하고 있으며, 고전압으로 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타켓에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 구조로 되어 있다.A conventional X-ray source device used in a medical institution for diagnosis of diseases generally uses a tungsten hot cathode as an electron emitting source for generating x-rays. The tungsten filament is heated at a high voltage to emit electrons, And collides with a target on the electrode side to generate X-rays.

하지만, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치는 전자를 발생시키는 데에 많은 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텅스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율이 극히 낮은 실정이다. 또한 텅스텐 필라멘트의 가열 및 냉각을 위해 일정시간의 인터벌(interval)이 요구되며, 펄스형태로 엑스선을 방출시키는 것이 어려워 필요 이상의 다량의 엑스선이 조사되어 이용에 제약이 있었다.However, the tungsten filament-based thermo-optic X-ray source device consumes a lot of power to generate electrons, and the generated electrons are randomly emitted from the tungsten surface having a spiral structure. In addition, a certain interval of time is required for heating and cooling of the tungsten filament, and it is difficult to emit X-rays in the form of pulses.

이러한 종래의 열음극 엑스선 소스 장치의 문제점을 해결하고자 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(CNT) 등 나노 구조물을 이용한 엑스선 소스 장치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 탄소나노튜브를 이용한 엑스선 소스 장치는 종래의 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치와는 달리 전자 방출 메카니즘이 전계 방출(electric field emission) 방식으로서, 기존의 열전자 방출 방식과 다르다. 탄소나노튜브 기반의 엑스선 소스 장치는 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치에 비해 낮은 전압의 인가로 전자 방출이 가능하고, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타켓을 향한 전자의 방향지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율이 매우 높다. 또한 펄스형태의 엑스선을 방출시키는 것이 용이하여 저선량으로 엑스선 영상획득이 가능할 뿐만 아니라 엑스선 동영상의 촬영이 가능하여 치과 임플란트 검사 등과 같은 치과 치료용으로 활용 가능성이 매우 높다.In order to solve the problems of the conventional hot cathode X-ray source device, researches on an X-ray source device using a nanostructure such as carbon nanotube (CNT) as a cold cathode electron emitting source have been actively conducted. Unlike a conventional tungsten filament-based thermoelectric X-ray source device, an X-ray source device using carbon nanotubes is an electric field emission type electron emission mechanism, which is different from a conventional thermionic emission method. Since the carbon nanotube-based x-ray source device can emit electrons with a lower voltage than the tungsten filament-based germanium x-ray source device and the emitted electrons are emitted along the longitudinal direction of the carbon nanotubes, So that the X-ray emission efficiency is very high. In addition, it is easy to emit pulse-shaped X-rays, so it is possible to acquire X-ray images at a low dose, and it is possible to take an X-ray video and is highly applicable for dental treatment such as dental implant examination.

이제까지 알려진 전계 방출 엑스선 소스(Field Emission X-ray Source)는 진공 용기 내에, 캐소드(cathode) 전극 상에 설치된 전자 방출원(emitter)과 그에 인접하게 설치된 게이트(gate) 전극을 구비하고, 게이트 전극과 전자 방출원 사이에 형성된 전계에 의해 전자가 방출되도록 구성된다. 게이트 전극은 메쉬(mesh) 형태나 전자 방출원의 배열에 따라 다수의 홀이 배열된 금속판 형태를 갖는다. 전자 방출원(emitter)으로부터 방출된 전자 빔(electron beam)이 이러한 메쉬 구조 또는 다수의 홀을 통과하여 진행하면, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 형성된 전계에 의해 전자를 수~수십 kV로 가속하여 애노드 측에 설치된 엑스선 타겟(target)에 타격시켜 엑스선이 방출되도록 한다. A field emission X-ray source known so far has an electron emitter disposed on a cathode electrode and a gate electrode disposed adjacent to the electron emitter in a vacuum container, And electrons are emitted by an electric field formed between the electron emission sources. The gate electrode has a metal plate shape in which a plurality of holes are arranged in a mesh shape or an arrangement of electron emission sources. When an electron beam emitted from an electron emitter passes through such a mesh structure or a plurality of holes, electrons are emitted from several tens of kV So as to strike an X-ray target installed on the anode side so that the X-ray is emitted.

전술한 바와 같은 일반적인 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서, 사용 목적에 따른 충분한 엑스선량을 출력하기 위해서는, 충분한 세기의 관전류가 요구된다. 관전류를 높이기 위한 방안으로 여러 가지가 고려될 수 있으나, 전계 방출 엑스선 소스 장치의 소형화에 대한 요구와 상충되는 측면이 있다.In the general field emission X-ray source apparatus as described above, a tube current of sufficient intensity is required to output a sufficient X-ray dose in accordance with the purpose of use. There are many ways to increase the tube current, but there is a contradiction with the demand for miniaturization of the field emission X-ray source device.

따라서, 본 발명은 엑스선 소스 장치의 소형화에 역행하지 않고, 제한된 크기의 장치에서 전계 방출에 의한 전자의 방출량을 증가시켜 관전류를 높이고, 결과적으로 충분한 엑스선량을 출력할 수 있는 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 별도의 집속 전극 없이도 방출된 전자빔을 엑스선 타겟면의 좁은 영역에 집중시키는 데에 효과적인 구성의 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다. Therefore, the present invention provides a field emission X-ray source device capable of increasing the amount of electrons emitted by field emission in a device of a limited size, increasing the tube current, and consequently outputting a sufficient X-ray dose, without going against the miniaturization of the X- The purpose is to provide. It is another object of the present invention to provide a field emission X-ray source device having a structure effective to concentrate an electron beam emitted in a narrow region of an X-ray target surface even without a separate focusing electrode.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치는, 튜브형 진공 용기와, 상기 튜브형 진공 용기의 양측에 각각 배치된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서, 상기 캐소드 전극 상에 상기 애노드 전극을 향해 배치되고, 탄소나노구조물로 형성된 다수의 에미터 팁이 곡면상에 형성된, 전자 방출원을 포함한다. In order to solve the above-described problems, the field emission X-ray source device according to the present invention is a field emission X-ray source device including a tubular vacuum container, an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of the tubular vacuum container, And an electron emission source disposed on the cathode electrode toward the anode electrode and having a plurality of emitter tips formed of carbon nanostructure on a curved surface.

여기서, 상기 전자 방출원은 상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결되고, 적어도 상기 애노드 전극과 마주보는 면이 도전성 소재로 형성된 전자 방출원 기판을 포함할 수 있고, 이때 상기 캐소드 전극 상에 형성되어 상기 전자 방출원을 수용하는 것으로, 상기 전자 방출원 기판이 곡면을 이루며 휘어진 상태로 지지하는 전자 방출원 수용부를 더 포함할 수 있다.Here, the electron emission source may include an electron emission source substrate electrically connected to the cathode electrode and having at least a surface facing the anode electrode formed of a conductive material, wherein the electron emission source is formed on the cathode electrode, The electron emission source accommodating unit may further include an electron emission source accommodating unit for accommodating the source and supporting the electron emission source substrate in a curved shape.

상기 전자 방출원 기판은 상기 다수의 에미터 팁이 형성된 면이 상기 애노드 전극을 향해 오목한 곡면을 이루는 것일 수 있다. The electron emission source substrate may have a curved surface in which the surface on which the plurality of emitter tips are formed is concave toward the anode electrode.

상기 전자 방출원 기판은 상기 다수의 에미터 팁이 형성된 면이 상기 애노드 전극을 향해 볼록한 곡면을 이루는 것일 수도 있다. 이 경우, 상기 에미터 팁은 상기 전자 방출원 기판 표면으로부터 직접 성장된 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어일 수 있다. The surface of the electron emission source substrate on which the plurality of emitter tips are formed may have a curved surface convex toward the anode electrode. In this case, the emitter tip may be carbon nanotube or carbon nanowire grown directly from the electron emission source substrate surface.

상기 전자 방출원 수용부는, 그 바닥의 폭이 상기 전자 방출원 기판의 길이보다 좁고, 그 바닥으로부터 돌출되어, 상기 전자 방출원 기판의 양 측단을 지지하는 측벽부를 가질 수 있다. The electron emission source accommodating portion may have a sidewall portion that is narrower than a width of the bottom of the electron emission source substrate and protrudes from the bottom thereof to support both side ends of the electron emission source substrate.

본 발명에 따르면, 제한된 크기의 장치에서 전계 방출에 의한 전자의 방출량을 증가시켜 관전류를 높이고, 결과적으로 충분한 엑스선량을 출력할 수 있는 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 별도의 집속 전극 없이도 방출된 전자빔을 엑스선 타겟면의 좁은 영역에 집중시키는 데에 효과적인 구성의 전계 방출 엑스선 소스 장치를 제공하는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to provide a field emission X-ray source device capable of increasing the amount of electrons emitted by field emission in a device of a limited size, thereby increasing the tube current, and consequently outputting a sufficient X-ray dose. According to the present invention, there is also provided an effect of providing a field emission X-ray source device having a structure effective to concentrate the emitted electron beam to a narrow region of the X-ray target surface without a separate focusing electrode.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보인다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 캐소드 전극과 전자 방출원의 예를 보인다.
도 3은 상기 도 2의 전자 방출원에서 방출된 전자빔의 궤적을 보인다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보인다.
도 5는 상기 도 4의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 캐소드 전극과 전자 방출원의 예를 보인다.
도 6은 상기 도 5의 전자 방출원에서의 에미터 팁을 종래의 전자 방출원에서의 에미터 팁과 대비하여 보인다.1 shows an internal configuration of a field emission X-ray source device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an example of a cathode electrode and an electron emission source in the field emission X-ray source device according to the embodiment of FIG.
FIG. 3 shows the locus of the electron beam emitted from the electron emission source of FIG.
FIG. 4 shows an internal configuration of a field emission X-ray source device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows an example of a cathode electrode and an electron emission source in the field emission X-ray source device according to the embodiment of FIG.
FIG. 6 shows the emitter tip in the electron emitter of FIG. 5 compared to the emitter tip in the conventional electron emitter.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 한편 동일한 도면 부호는 동일한 특성을 갖는 구성요소임을 나타내는 것으로서, 어느 도면에서 설명된 구성요소와 동일한 도면 부호를 갖는 구성요소에 대한 설명은 다른 도면에 대한 설명에서는 생략될 수 있다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The technical idea of the present invention can be understood more clearly by way of examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. something to do. The same reference numerals denote elements having the same characteristics, and description of elements having the same reference numerals as those described in the drawings may be omitted in the description of other drawings.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보이고, 도 2는 상기 도 1의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 캐소드 전극과 전자 방출원의 예를 보인다.FIG. 1 shows an internal structure of a field emission X-ray source device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an example of a cathode electrode and an electron emission source in the field emission X-ray source device according to the embodiment of FIG.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(101)는 튜브형의 진공 용기(10)와 상기 진공 용기(10)의 일단에 접합된 애노드 전극(20)을 포함한다. 상기 진공 용기(10)를 사이에 두고 상기 애노드 전극(20)의 반대편에는 캐소드 전극(41A)이 배치된다. 상기 캐소드 전극(41A) 상에 전자 방출원(410A)이 배치되는데, 전자 방출원(410A)은 캐소드 전극(41A)과 별도로 분리된 전자 방출원 기판(411A)에 마련되어 캐소드 전극(41A)에 결합 될 수 있다. 다만, 캐소드 전극(41A) 표면에 직접 형성될 수도 있다. 상기 전자 방출원(410A)은 예컨대 탄소나노튜브와 같은 다수의 나노 구조물을 이용한 다수의 에미터 팁(412)을 포함할 수 있다. 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출원(410A)의 경우 상기 전자 방출원 기판(411A) 또는 캐소드 전극(41A) 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 다수의 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나, 탄소나노튜브 페이스트를 도포한 후 소성하는 등의 방법으로 형성될 수 있다. The field emission X-ray source device 101 according to the present embodiment includes a tubular vacuum vessel 10 and an anode electrode 20 bonded to one end of the vacuum vessel 10. A cathode electrode 41A is disposed on the opposite side of the anode electrode 20 with the vacuum container 10 interposed therebetween. The electron emitting source 410A is disposed on the cathode electrode 41A and the electron emitting source 410A is provided on the electron emitting source substrate 411A separated from the cathode electrode 41A and is connected to the cathode electrode 41A. . However, it may be formed directly on the surface of the cathode electrode 41A. The electron emission source 410A may include a plurality of emitter tips 412 using a plurality of nanostructures such as carbon nanotubes. In the case of the electron emission source 410A using carbon nanotubes, a plurality of carbon nanotubes may be directly grown on the surface of the electron emission source substrate 411A or the cathode electrode 41A by chemical vapor deposition (CVD) A method in which a nanotube paste is coated and then baked, or the like.

상기 전자 방출원(410A)은 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 애노드 전극(20)을 향하여 오목한 곡면을 이루도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 캐소드 전극(41A)는 그 상부에 전자 방출원 수용부(42A)를 구비하고, 상기 전자 방출원(410A)은 별도의 도전성 기판인 전자 방출원 기판(411A)으로 형성되어, 곡면을 이루도록 휘어진 상태로 상기 전자 방출원 수용부(42A)에 지지 될 수 있다. 이 경우, 상기 전자 방출원(410A)은 상기 캐소드 전극(41A)와 전기적으로 연결되고, 상기 전자 방출원 기판(411A)은 적어도 상기 애노드 전극(20)을 바라보는 곡면이 도전성 물질로 형성될 수 있다. The electron emission source 410A may be formed to have a concave curved surface toward the anode electrode 20 as shown in FIGS. The electron emission source 410A is formed of an electron emission source substrate 411A which is a separate conductive substrate, The electron emission source accommodating portion 42A can be supported by the electron emission source accommodating portion 42A. In this case, the electron emitting source 410A is electrically connected to the cathode electrode 41A, and the curved surface of the electron emitting source substrate 411A facing at least the anode electrode 20 may be formed of a conductive material have.

좀 더 구체적으로, 상기 전자 방출원 수용부(42A)는 그 바닥면의 폭(W42)이 상기 전자 방출원 기판(411A)의 길이보다 좁고, 상기 바닥면의 주변부가 상기 바닥면보다 상대적으로 돌출된 형태의 측벽부(42T)를 가질 수 있다. 상기 전자 방출원 기판(411A)은 곡면을 이루도록 휘어진 채로 양 측단이 상기 측벽부(42T)에 의해 지지 된다. 한편 상기 전자 방출원 기판(411A)이 금속 기판인 경우에는 그 배면이 상기 전자 방출원 수용부(42A)의 바닥면에 접촉하는 것으로 전기적 연결도 확보될 수 있다. 이러한 전자 방출원(410A)과 캐소드 전극(41A)의 결합 구조는 브레이징 등 필러 물질의 사용을 배제한 기계적인 결합일 수 있고, 이로써 본 발명은 브레이징 필러에 의한 불필요한 가스 방출을 방지할 수 있도록 한다. More specifically, the width W42 of the bottom surface of the electron emission source accommodating portion 42A is narrower than the length of the electron emission source substrate 411A, and the periphery of the bottom surface is relatively protruded Shaped side wall portion 42T. The electron emission source substrate 411A is supported by the side wall portions 42T with both side ends thereof being curved so as to form a curved surface. On the other hand, when the electron emission source substrate 411A is a metal substrate, its backside is in contact with the bottom surface of the electron emission source accommodation portion 42A, thereby ensuring electrical connection. The coupling structure of the electron emission source 410A and the cathode electrode 41A may be a mechanical coupling excluding the use of a filler material such as brazing material so that unnecessary gas emission by the brazing filler can be prevented.

한편, 이와 같이 전자 방출원(410A)이 애노드 전극(20)을 향해 곡면을 이루도록 형성되면, 종래에 비해 더 많은 수의 에미터 팁(412)을 구비할 수 있게 된다. 전자 방출원 기판(411A) 상에 동일한 밀도로 다수의 에미터 팁(412)이 배치된다고 가정할 때, 상기 전자 방출원 기판(411A)이 종래와 같이 튜브형 진공 용기(10)의 종축에 수직인 평면 형태로 배치된 경우에 비해, 곡면을 이루며 늘어난 면적만큼 더 많은 수의 에미터 팁(412)을 가질 수 있게 된다. 이는 곧 더 많은 전자 방출에 의한 관전류 상승의 결과로 이어질 수 있다.When the electron emitting source 410A is formed to be curved toward the anode electrode 20, a larger number of emitter tips 412 can be provided. Assuming that a large number of emitter tips 412 are arranged on the electron emission source substrate 411A at the same density, the electron emission source substrate 411A is arranged to be perpendicular to the longitudinal axis of the tubular vacuum vessel 10 It is possible to have a larger number of emitter tips 412 as compared to the case where they are arranged in a planar shape. This may result in a higher tube current due to more electron emission.

튜브형 진공 용기(10)는 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미나 세라믹스와 같은 소재로 만들어질 수 있다. 상기 진공 용기(10)가 절연 물질로 이루어짐에 따라 전계 방출 엑스선 소스 장치(101)에서 상기 애노드 전극(20) 및 상기 캐소드 전극(41A)이 서로 전기적으로 절연된다. 한편, 상기 튜브형 진공 용기(10)의 일 측, 좀 더 구체적으로 상기 애노드 전극(20)에 가까운 일 측에는 상기 진공 용기(10) 내부에서 발생한 엑스선이 그 외부로 원활하게 방출되도록 하는 윈도우가 마련될 수도 있다. 상기 윈도우는 비교적 엑스선 투과율이 높은 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 알루미늄-베릴륨 합금(AlBe), 산화규소(SixOy), 티타늄(Ti) 중 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. The tubular vacuum container 10 may be made of an insulating material such as ceramic, glass, or silicone, and may be made of a material such as alumina ceramics. As the vacuum container 10 is made of an insulating material, the anode electrode 20 and the cathode electrode 41A are electrically insulated from each other in the field emission X-ray source device 101. A window is provided on one side of the tubular vacuum vessel 10, more specifically, on one side near the anode electrode 20, for allowing the X-ray generated in the vacuum vessel 10 to be smoothly discharged to the outside It is possible. The window may be formed of any one of beryllium (Be), aluminum (Al), magnesium (Mg), aluminum nitride (AlN), aluminum-beryllium alloy (AlBe), silicon oxide (SixOy), and titanium Or an alloy thereof.

애노드 전극(20)은 전자 방출원(410A)이 배치된 캐소드 전극(41A)과 수십에서 수백 kV에 달하는 높은 전위차를 형성하여 가속 전극으로서의 역할을 수행함과 동시에 상기 전자 방출원(41A)으로부터 방출되어 가속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 엑스선 타켓의 역할을 겸한다. 이를 위해 애노드 전극(20)은 튜브형 진공 용기(10)의 내부에서 전자 빔(EB)이 진행하는 방향에 대해 비스듬하게 경사진 엑스선 타겟면(21)을 갖는다. 상기 엑스선 타겟면(21)에는 별도의 타겟 부재가 배치될 수 있다. 이러한 타겟 부재는 일 예로 브레이징 등을 통해 애노드 전극(20)의 몸체를 이루는 부재에 접합 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 타겟 부재는 가속된 전자 빔(EB)의 타격에 의해 엑스선을 방출하는 텅스턴(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 은(Ag), 탄탈륨(Ta) 또는 이트륨(Y) 등으로 이루어질 수 있는데, 융점이 높고 엑스선 방출 효율이 우수한 텅스텐(W)이주로 적용된다. The anode electrode 20 forms a high potential difference of several tens to several hundreds of kV from the cathode electrode 41A in which the electron emitting source 410A is disposed and functions as an accelerating electrode and is emitted from the electron emitting source 41A It also serves as an X-ray target that emits x-rays by the collision of accelerated electrons. To this end, the anode electrode 20 has an X-ray target surface 21 inclined obliquely with respect to the direction in which the electron beam EB travels inside the tubular vacuum container 10. A separate target member may be disposed on the X-ray target surface 21. The target member may be joined to a member constituting the body of the anode electrode 20 through brazing or the like. However, the present invention is not limited thereto. The target member may be a tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), cobalt (Co), chromium (Cr), iron (Fe) (Ag), tantalum (Ta), or yttrium (Y), and is applied to a tungsten (W) migration having a high melting point and an excellent x-ray emission efficiency.

상기 전자 방출원(410A)과 상기 애노드 전극(20)의 사이에는 게이트 전극(50)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(50)은 전자 방출원(410A)에 가깝게 배치되어 전자 방출을 개시하는 전계를 형성한다. 게이트 전극(50)은 전자 빔(EB)이 통과할 수 있도록 다수의 구멍(51)이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태로 구비될 수 있다. 또한 게이트 전극(50)과 애노드 전극(20) 사이에는 전자 빔(EB)을 집속하기 위한 전계를 형성하는 집속 전극이 배치될 수도 있다. 그러나, 본 실시예와 같이 상기 전자 방출원(410A)이 상기 애노드 전극(20)을 향해 오목한 곡면을 형성하는 경우, 별도의 집속 전극 없이도 상기 전자 방출원 기판(411A)에서 발생하는 전계를 이용하여 전자빔(EB)을 집속할 수도 있다. A gate electrode 50 may be disposed between the electron emission source 410 A and the anode electrode 20. The gate electrode 50 is disposed close to the electron emission source 410A to form an electric field for initiating electron emission. The gate electrode 50 may be provided in the form of a thin metal plate or a metal mesh having a plurality of holes 51 through which the electron beam EB can pass. A focusing electrode for forming an electric field for focusing the electron beam EB may be disposed between the gate electrode 50 and the anode electrode 20. However, in the case where the electron emission source 410A forms a curved surface concaved toward the anode electrode 20 as in the present embodiment, the electron emission source 410A may be formed by using an electric field generated from the electron emission source substrate 411A The electron beam EB may be focused.

도 3은 상기 도 2의 전자 방출원에서 방출된 전자빔의 궤적을 보인다.FIG. 3 shows the locus of the electron beam emitted from the electron emission source of FIG.

본 도면에 도시된 바와 같이, 상기 전자 방출원 기판(411A)은 적어도 도전성 소재로 형성된 곡면을 포함하고 있기 때문에, 그 표면으로부터 곡면 형상의 전계가 형성된다. 그 전계를 등전위선(EV)으로 표현할 수 있는데, 전자빔(EB)은 전계를 지날 때 상기 등전위선(EV)에 수직인 방향으로 편향되는 성질이 있다. 따라서, 다수의 에미터 팁(412) 중 상기 전자 방출원(410A)의 외곽 쪽에 있는 것으로부터 방출된 전자빔(EB)은 그 중심 쪽을 향해 진행하여, 결과적으로 상기 엑스선 타겟면(21) 중심부의 포컬 스팟(focal spot)에 집속될 수 있다. 이러한 구조적 특징으로 인해 별도의 집속 전극을 설치하지 않고도 전자빔(EB)을 집속할 수 있으므로, 전계 방출 엑스선 소스 장치의 구성이나 제조 공정이 단순화하는 효과가 있음은 물론이고, 장치의 구동을 단순화하는 측면에서도 유리한 효과가 있다. As shown in the figure, the electron emission source substrate 411A includes a curved surface formed of at least a conductive material, so that a curved surface electric field is formed from the surface. The electric field can be expressed by the equipotential line EV. The electron beam EB has a property of deflecting in a direction perpendicular to the equipotential line EV when passing the electric field. Therefore, the electron beam EB emitted from the outermost one of the plurality of emitter tips 412 on the outer side of the electron emission source 410A travels toward the center thereof, and consequently, the center of the x- And can be focused on a focal spot. Because of this structural feature, it is possible to focus the electron beam EB without installing a separate focusing electrode, thereby simplifying the structure and manufacturing process of the field emission X-ray source device. In addition, .

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치의 내부 구성을 보이고, 도 5는 상기 도 4의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치에서 캐소드 전극과 전자 방출원의 예를 보인다.FIG. 4 shows an internal structure of a field emission X-ray source device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows an example of a cathode electrode and an electron emission source in the field emission X-ray source device according to the embodiment of FIG.

본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(102)는 전자 방출원(410B)이 캐소드 전극(41B) 상에서 애노드 전극(20)을 향해 볼록한 곡면을 이루는 점에서 전술한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스 장치(101)와 차이가 있다. 그 외의 부분에서는 전술한 실시예와 동일하므로, 여기서는 캐소드 전극(41B) 및 전자 방출원(410B)을 중심으로 설명하기로 한다. The field emission X-ray source device 102 according to the present embodiment differs from the field emission X-ray source device according to the above-described embodiment in that the electron emission source 410B forms a convex curved surface toward the anode electrode 20 on the cathode electrode 41B. Which is different from the device 101. Since the other portions are the same as those of the above-described embodiment, the cathode electrode 41B and the electron emission source 410B will be mainly described here.

상기 캐소드 전극(41B)은 그 상부에 전자 방출원 수용부(42B)를 구비하고, 상기 전자 방출원(410B)은 별도의 도전성 기판인 전자 방출원 기판(411B)으로 형성되어, 애노드 전극(20)을 향해 볼록한 곡면을 이루도록 휘어진 상태로 상기 전자 방출원 수용부(42B)에 지지 될 수 있다. 이 경우에도, 상기 전자 방출원(410B)은 상기 캐소드 전극(41B)와 전기적으로 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 전자 방출원 수용부(42B)는 그 바닥면의 폭(W42)이 상기 전자 방출원 기판(411B)의 길이보다 좁고, 상기 바닥면의 주변부가 상기 바닥면보다 상대적으로 돌출된 형태의 측벽부를 가질 수 있다. 상기 전자 방출원 기판(411B)은 볼록한 곡면을 이루도록 휘어진 채로 양 측단이 상기 측벽부에 의해 지지 된다. 한편 상기 전자 방출원 기판(411A)이 금속 기판인 경우에는 그 양측단이 상기 전자 방출원 수용부(42B)의 표면에 접촉하는 것으로 전기적 연결도 확보될 수 있다. 이러한 전자 방출원(410B)과 캐소드 전극(41B)의 결합 구조는 브레이징 등 필러 물질의 사용을 배제한 기계적인 결합일 수 있고, 이로써 본 발명은 브레이징 필러에 의한 불필요한 가스 방출을 방지할 수 있도록 한다. 전자 방출원(410B)이 곡면을 가짐으로 인해, 더 많은 수의 에미터 팁(412)을 가질 수 있다는 점도 전술한 도 1의 실시예와 같다. The cathode electrode 41B has an electron emission source accommodating portion 42B on the upper portion thereof and the electron emission source 410B is formed of an electron emission source substrate 411B which is a separate conductive substrate, The electron emitting source accommodating portion 42B may be bent in a convex curved shape. Also in this case, the electron emitting source 410B may be electrically connected to the cathode electrode 41B. More specifically, the width W42 of the bottom surface of the electron emission source accommodating portion 42B is narrower than the length of the electron emission source substrate 411B, and the periphery of the bottom surface is relatively protruded Shaped side wall portion. Both ends of the electron emission source substrate 411B are supported by the side wall portions while being bent to have a convex curved surface. On the other hand, when the electron emission source substrate 411A is a metal substrate, both ends of the electron emission source substrate 411A are in contact with the surface of the electron emission source storage unit 42B, thereby securing an electrical connection. The coupling structure of the electron emission source 410B and the cathode electrode 41B may be a mechanical coupling excluding the use of a filler material such as brazing material, so that the present invention can prevent unnecessary gas emission by the brazing filler. The electron emitter 410B can have a larger number of emitter tips 412 because of its curved surface is the same as the embodiment of FIG.

도 6은 상기 도 5의 전자 방출원에서의 에미터 팁을 종래의 전자 방출원에서의 에미터 팁과 대비하여 보인다. 도 6의 (a)는 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어로 이루어진 다수의 에미터 팁이 형성된 기판이 평면 상태로 배치되어 있는 종래의 전자 방출원(410)을 보이고, 도 6의 (b)는 이러한 기판이 위를 향해 볼록한 곡면을 이루도록 휘어진 형태의 전자 방출원(410B)을 보인다. FIG. 6 shows the emitter tip in the electron emitter of FIG. 5 compared to the emitter tip in the conventional electron emitter. 6 (a) shows a conventional electron emission source 410 in which a substrate having a plurality of emitter tips formed of carbon nanotubes or carbon nanowires is arranged in a planar state. FIG. 6 (b) An electron emitting source 410B having a shape in which the substrate is curved so as to have a convex curved surface facing upward is shown.

여기서 상기 다수의 에미터 팁은 전술한 기판에 직접 성장된 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어 일 수 있다. 이러한 다수의 에미터 팁이 도 6 (a)에 도시된 바와 같이 대체로 일정한 간격(g0)으로 배치된 경우, 그 기판이 위로 볼록하게 휘어지면 도 6 (b)에 도시된 바와 같이, 그 간격(gB)이 휘어지기 전의 간격(g0)보다 커지게 된다. 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어로 이루어진 에미터 팁에 있어서, 그 간격이 전자 방출에 영향을 미치는 점은 여러 선행 연구를 통해 알려져 있다. 미시적인 과점에서 에미터 팁의 말단에 전계가 집중될 때 전자 방출이 활발하게 이루어지는데, 에미터 팁 사이의 간격이 좁아질 경우 인접한 에미터 팁들에 의한 전계 차폐 효과로 인해 전자의 방출이 저해되기 때문이다. 따라서, 기판 표면에 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어와 같은 에미터 팁이 직접 성장된 전자 방출원(410)을 상기 도 4 및 도 5의 실시예와 같이 전자 방출원(410B)이 위를 향해 볼록한 곡면을 갖도록 휘어지게 설치하면, 에미터 팁 사이의 간격(gB)를 넓혀, 전자 방출에 의한 관전류를 증가시킬 수 있다. 이는 곧 전계 방출 엑스선 소스 장치(102)의 출력 상승으로 이어질 수 있다. Wherein the plurality of emitter tips may be carbon nanotubes or carbon nanowires directly grown on the substrate. When such a plurality of emitter tips are arranged at a substantially constant gap g0 as shown in Fig. 6 (a), when the substrate is bent convexly upward, as shown in Fig. 6 (b) gB becomes larger than the gap g0 before being bent. In the case of emitter tips composed of carbon nanotubes or carbon nanowires, it has been known through various previous studies that the interval influences electron emission. When the field is concentrated at the tip of the emitter tip in the microscopic oligonucleotide, electron emission becomes active. When the distance between the emitter tips is narrowed, the emission of electrons is inhibited by the electric field shielding effect by the adjacent emitter tips Because. 4 and 5, the electron emission source 410B may be formed as an electron emission source 410B having an electron emission source 410B which is convex upward If it is provided so as to be bent so as to have a curved surface, the gap gB between the emitter tips can be widened, and the tube current due to electron emission can be increased. Which may lead to an increase in the output of the field emission x-ray source device 102.

101, 102: 전계 방출 엑스선 소스 장치
10: 튜브형 진공 용기 20: 애노드 전극
21: 엑스선 타겟면 41A, 41B: 캐소드 전극
42A, 42B: 전자 방출원 수용부 50: 게이트 전극
51: 게이트 홀 410, 410A, 410B: 전자 방출원
411A, 411B: 전자 방출원 기판 412: 에미터 팁101, 102: Field emission X-ray source device
10: Tubular vacuum container 20: Anode electrode
21: X-ray target surface 41A, 41B: cathode electrode
42A, 42B: electron emitting source accommodating portion 50: gate electrode
51: gate hole 410, 410A, 410B: electron emission source
411A, 411B: electron emission source substrate 412: emitter tip

Claims (3)

튜브형 진공 용기와, 상기 튜브형 진공 용기의 양측에 각각 배치된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선 소스 장치에 있어서,
상기 캐소드 전극 상에 상기 애노드 전극을 향해 배치되고, 나노구조물로 형성된 다수의 에미터 팁이 곡면상에 형성된, 전자 방출원을 포함하는,
전계 방출 엑스선 소스 장치.A field emission X-ray source device comprising a tubular vacuum container, an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of the tubular vacuum container,
And an electron emitter disposed on the cathode electrode toward the anode electrode and having a plurality of emitter tips formed of a nanostructure on a curved surface,
Field emission X-ray source device. 제 1 항에 있어서,
상기 전자 방출원은 상기 캐소드 전극 상에, 상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결된 전자 방출원 기판 상에 형성된 전자 방출원 수용부를 더 포함하는,
전계 방출 엑스선 소스 장치. The method according to claim 1,
Wherein the electron emission source further comprises an electron emission source accommodation portion formed on the electron emission source substrate electrically connected to the cathode electrode on the cathode electrode,
Field emission X-ray source device. 제 2 항에 있어서,
상기 전자 방출원 기판은 상기 애노드 전극을 향해 오목 또는 볼록한 곡면을 이루는,
전계 방출 엑스선 소스 장치. 3. The method of claim 2,
Wherein the electron emission source substrate has a concave or convex curved surface toward the anode electrode,
Field emission X-ray source device.
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KR20200096119A (en) * 2019-01-31 2020-08-11 한국전자통신연구원 Field emission device

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